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“上帝粒子”现形记 专家称比登上月球更重要

2012年07月09日 08:57
来源:南方日报

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7月6日,英国物理学家希格斯出席新闻发布会。新华社发

欧洲核子研究中心的科学家在大型强子对撞机控制中心讨论。新华社发

CFP供图

7月4日,全世界的目光都投向了位于日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)。

在当天下午举行的发布会上,大型强子对撞机(LHC)两个探测器的主管分别宣布,他们找到了一种新的亚原子粒子,这种粒子很可能就是物理学家们苦苦寻找了近半个世纪,被科学界称为“上帝粒子”的希格斯玻色子。

这是一场激动人心的发布会。欧洲核子研究中心CMS团队发言人乔·因坎德拉将他们的发现描述为“在过去30甚至40年间最大的新发现之一”。

这可能意味着,标准模型理论中所预言的62种基本粒子已经全部找到,标准模型完成了最后一块的拼图。

48年前,英国科学家皮特·希格斯预言了希格斯玻色子的存在,如今的他已经83岁高龄。当结果宣布时,他流下了激动的泪水,并表示:“这真的是我生命中最不可思议的奇迹。”在发布会现场,英国物理学会主席彼得·奈特说,此次LHC的成就与发现DNA和登陆月球相当。

在接受南方日报记者采访时,研究粒子物理的中山大学副教授张宏浩表示,“粒子物理界好久没有发现新粒子了,之前做的实验一直是在排除希格斯粒子不存在的区间,而这一次是真正的发现。”

基本粒子质量之源

若没有希格斯粒子,其他基本粒子就会仍以光速运行,宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤,不能组成物质,生命无从谈起

希格斯粒子究竟是什么?为什么找到它如此重要?

早在2000多年前,人类便开始追问,我们所生活的世界是怎样形成的?从德谟克利特的“原子说”到如今被科学家普遍接受的标准模型理论,从朴素的形而上学概念到标准模型所预言的粒子陆续被证实,人类似乎越来越接近这一问题的答案。

在标准模型里,宇宙由62种不可再分的基本粒子构成,通过强力、弱力及电磁力这三种基本作用力组合成各种复合粒子,进而构成物质世界。

基本粒子可以分为两大类:自旋为半整数的费米子(fermion)和自旋为整数的玻色子(boson)。费米子是构成物质“实体”的粒子,也称之为物质粒子,而玻色子则传递基本相互作用,也可称为载力粒子。

然而在标准模型建立过程中,有一个问题却一直困扰着科学家:按照标准模型理论,基本粒子并没有质量,但实验结果却又清楚表明,除了光子以外的基本粒子都是有质量的。

1964年,希格斯等人提出了“希格斯机制”的概念,在理论上解决了这个问题。希格斯们认为宇宙间遍布“希格斯场”,基本粒子在与希格斯场的相互作用下获得了质量,而形成希格斯场的就是一种新的粒子,被命名为希格斯粒子。

根据对希格斯粒子性质的预言,希格斯粒子的自旋为零,是一种玻色子,所以又把希格斯粒子称为希格斯玻色子。

希格斯理论提出,在宇宙诞生的最初,并没有希格斯粒子的存在,其他的各种基本粒子都如光子一般,以光速横冲直撞。宇宙诞生十几秒后,希格斯粒子诞生,形成了“希格斯场”。除了光子,其他的基本粒子与希格斯粒子发生碰撞后,就如同轻巧的棉花吸饱了水分一般,获得了质量,而速度就慢下来了。

慢下来的基本粒子“夸克”在强相互作用下,抱团组成了质子、中子等粒子,质子和中子又组成了原子核,原子核与电子在电磁力作用下又形成了原子,原子构成分子,由此形成了我们所见到的大千世界。

如果没有希格斯粒子,其他的基本粒子就会仍然以光速运行,不能聚合在一起,我们的宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤,根本不能组成物质,生命也无从谈起。

希格斯玻色子的存在是希格斯机制的必然结果之一,假若实验证实希格斯玻色子存在,则可给予希格斯机制极大的肯定。更重要的是,它的发现弥补了标准模型的缺漏,奠定了标准模型的基础。

由于希格斯粒子一直未被发现,这些重要的问题一直悬而未决。这个标准模型理论预言的最后一个粒子便一直成为科学家们苦苦追求的目标。

等等,万一希格斯理论被证明是错误的,希格斯粒子根本就不存在呢?

曾获诺贝尔奖的著名粒子物理学家莱德曼表示,如果这样,标准模型理论将被推翻,至少需要进行修改。他表示,“这就像哥伦布启程去寻找印度群岛一样,他和他的信徒们相信,如果没有达到目的,他也会发现一些别的东西,这些东西可能会更有意义。”

在这个意义上来说,很多科学家反倒有些失望,毕竟找到一个48年前就被预言了的“老粒子”多少有些无趣,他们期盼的是更为颠覆性的发现:假如标准模型被推翻,整个物理世界的理论都有可能要重新改写。

追寻上帝粒子身影

质子束在全长27公里的环形隧道中以每秒11245圈的速度狂飙后相撞,这一刻就像宇宙大爆炸,释放大量能量和基本粒子

美国物理学家、1988年诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼在《上帝粒子:如果宇宙是答案,那么问题是什么?》一书中将希格斯玻色子称作是“上帝粒子”(The God Particle)。

莱德曼说他以“上帝粒子”为这粒子命名是因为这粒子“在当今物理学中处于极为中心的位置,对我们理解物质的结构极为关键、也极为难以捉摸”。

不过他在书中也开玩笑地说,“图书出版商不让他把这粒子称作‘该死的粒子’(Goddamn Particle)”。这句粗口,可能更恰当地表达了人们为找寻希格斯玻色子而所付出的代价与遭受到的挫折。

虽然科学家们早就预言了希格斯粒子的存在,为什么寻找了快半个世纪才找到它?

张宏浩解释,主要原因在于标准模型对希格斯粒子的质量并没有确定的预言,泛泛地寻找它非常困难;另外,希格斯粒子的质量很大,以往的粒子对撞机能量还不够大,还不足以把它“撞出来”。

之前在认真寻找希格斯粒子的对撞机只有大型正负电子对撞机LEPII和美国费米实验室的质子-反质子对撞机Tevatron,这两个对撞机都没有找到希格斯粒子。

著名物理学家温伯格认为,只要能够建造能量足够大的加速器,就一定可以找到这个最后的粒子。为了发现希格斯玻色子,也为了探索宇宙起源,包括中国在内的世界各国共同资助了欧洲核子研究中心兴建了大型强子对撞机(LHC)。

依赖LHC更高能量的加速器和更超级的探测器,CERN终于成功捕获“上帝粒子”的身影。

LHC位于瑞士和法国边境地区地下50-150m米深的隧道中,环形隧道长达27公里。质子束在全长27公里的环形隧道中以每秒11245圈的速度狂飙然后相撞,在极细微的空间爆发如十万倍太阳温度的超级高温。这一刻就像宇宙大爆炸之时,释放大量能量和基本粒子,冷却后形成组成物质的质子和中子,希格斯粒子就有可能产生在其中。

即使“撞出”希格斯粒子后,还有一个很麻烦的问题是,希格斯玻色子无法直接观测到,只能通过观测到某种粒子衰变之后产生的光子等其他粒子,反推这些光子会不会是粒子碰撞产生的希格斯玻色子衰变出来的。

然而每1012次的质子对撞,才可能产生一次希格斯粒子。更加困难的是,这种粒子一旦产生就转瞬即逝,在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变,因此要想捕捉到它极不容易,需要进行足够次数的相撞,并进行海量数据分析。

为了寻找希格斯粒子,美国费米实验室的万亿电子伏特加速器(Tevatron)运行了26年,期间发现了新粒子“顶夸克”,也逐渐逼近了希格斯粒子的“活动范围”,但希格斯玻色子仍难觅踪影。

张宏浩介绍,LHC能达到的能量级已经足够大,大到可以做“裁判”了:如果真有希格斯粒子存在,它一定能探测到,不像以往的实验设备存在漏网的可能性;反过来,如果它仍然不能探测到希格斯粒子,就说明这东西根本不存在。

在LHC自2010年开始高达3.5TeV的能量运作之后,CMS与ATLAS两个探测器都屡次观测到了希格斯粒子存在的迹象。但经过严格标准统计,结果都不能成为上帝粒子存在的有力证据。

经过了足够多次数的观测,欧洲原子核能中心最终确信自己已经找到了“上帝粒子”。在发布会上,CMS宣布发现质量为125.3±0.6 GeV/c2的新玻色子,标准差为4.9;ATLAS发现质量为126.5GeV的玻色子,与模拟重建事件能量的标准差为4.6。这样的标准差,几乎可以强有力地说明新粒子被发现。

不过CERN的科学家们仍持一种审慎的态度。CERN所长说:“从一个外行人的角度来说,我们已经发现希格斯玻色子了;但从一个内行的角度来说,我们还需要更多的数据。”

标准模型或被超越

标准模型只能解释4%的宇宙,占宇宙质量96%的暗物质与暗能量仍然没有得到解释,希格斯玻色子可能会参与形成暗物质

利物浦大学粒子物理系主任瑟密斯·布考克则称,对于物理学家来说,这次发现就像哥伦布发现美洲大陆。

“这是一项无与伦比的成就。”参与欧洲LHC工作的加州理工学院物理学教授玛丽亚·斯皮罗普卢说,全球范围内,各大学和实验室的粒子物理学家、工程师、技术人员已为这一时刻的到来努力工作了数十载。

但它只是一个开始。今后,首先要做的就是衡量新粒子的量子属性,确定它是否是标准模型中的希格斯玻色子。

“当然它也很可能是一个人们从未预想到的全新理论中的粒子,我们更希望是这种情形,这样在科学上将意味着更大的突破。”张宏浩表示。

由于标准模型所预言的未知粒子可能会干扰相关的量子力学行为,不仅会在对希格斯粒子的分辨上混淆视听,还会对希格斯粒子的反应道,包括了产生和衰变的有所影响。科学家们需要精确观测这种粒子在LHC的探测器中产生和衰变的不同方式。

张宏浩介绍,欧洲核子研究中心针对此项发现的论文还未发表,可能要等到7月底,目前还在进行数据的分析工作,“到时公布的数据和结果将更为重要,决定了标准模型将被确证还是会被超越。”

即便希格斯玻色子的终于发现,填补上了物理学标准模型的最后一块拼图,仍不意味着粒子物理学画上圆满的句号。

发现希格斯粒子,只是稳固了既有理论体系的基础,证明了标准模型理论的可靠性,而在标准模型的基础上,科学家寻求最终的大一统的物理理论,还有很长的路要走。

这是因为,物理学标准模型本身也并非解释物质世界一切奥秘的“终极理论”。尽管物理学标准模型解释了电磁力和强核力之类的基本作用力,但由于引力的作用实在太过微弱,到目前为止,一切试图将引力统一到标准模型内的努力都失败了。

另外对于暗能量、中微子质量、物质与反物质不平行等领域,标准模型也无能为力。这些将涉及更高层面的统一理论和更高维度,更高能量,甚至弦理论(string theory)。

在标准模型之外,早就有科学家提出了“超对称理论”、“弦理论”等万有理论,能够解决这些标准模型所不能解释的问题。比如对于引力,弦理论解释称,我们只感受到了一小部分引力,引力绝大多数都作用在隐藏的其他维度之中。

在对更“大一统”理论的寻求中,希格斯玻色子也将起到举足轻重的作用。对希格斯玻色子量子属性的研究,可进一步修正标准模型的缺陷,对新的理论的提出贡献现实依据。

研究表明,我们目前所认知的世界,大概只占宇宙的4%,暗物质占了23%,还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。而希格斯玻色子既可能与标准模型中的基本粒子相互作用,也可能会与诡秘的大质量弱相互作用粒子相互作用,形成暗物质。这在近期天文物理学研究领域里,是很重要的论题。

“别忘了,标准模型只能解释4%的宇宙,”欧洲核子研究中心的负责人罗尔夫·霍耶尔认为,占宇宙质量96%的暗物质与暗能量仍然没有得到解释,“我们还有很长的路要走”。

要获取更多的信息,大型强子对撞机的各种实验还要不停做下去,而且还要提高能力级别。预计在2013年,LHC会达到满负荷14万亿电子伏特运转,是现在的两倍。

参与研究的中国科学家刘衍文——

发现上帝粒子比登上月球更重要

宇宙万物皆有质量,但质量的来源是什么?随着欧洲核子中心日前宣布很可能发现了“上帝粒子”,这个终极问题有望得到解答。为了详细了解“上帝粒子”及中国科学家参与研究的情况,记者采访了中国科学技术大学教授刘衍文。

构成宇宙万物的最小物质单位是基本粒子,包括夸克、电子等,而要解释这些基本粒子的质量来源,必须找到最后一种基本粒子:被称作“上帝粒子”的希格斯(Higgs)粒子。过去30年,全球粒子物理学家都在苦苦追寻“上帝粒子”的踪迹,位于瑞士日内瓦市郊的欧洲核子中心与美国费米实验室是两个主要研究平台。

毕业于中科大少年班的刘衍文,从1999年起进入日内瓦大学攻读博士,此后一直在欧洲核子中心与美国费米实验室参与科研。2008年,欧洲核子中心建成启用了全球能量最大的强子对撞机,来自几十个国家的数千名学者参与研究。作为来自中国的学者之一,刘衍文从参与分析第一批数据开始,经历了发现“疑似上帝粒子”的全过程。

“新粒子不是一下子发现的,是长期数据积累的结果。”据刘衍文介绍,在前3年上亿次数据采集、分析的基础上,欧洲核子中心的科学家们在2011年逐渐发现了一些新粒子存在的迹象。“到2012年数据中新信号的统计显著性可以让人信服,新粒子是确实存在的。”

2012年6月下旬,欧洲核子中心内部决定在7月4日公布这个重大发现。“从对撞机上取下最后一批数据,分析出结果,再在3000多人的合作组内通过评审,留给科学家的时间实际上只有两周。”刘衍文说,工作强度非常大,很多人都有连续工作通宵的经历。

“目前宣布的这种新粒子,表现出的特征与理论预期极为接近,但从科学角度还不能100%断定它就是‘上帝粒子’。”刘衍文透露,欧洲核子中心将从2013年起把对撞机能量从8TeV提高到14TeV,进一步通过实验测量其性质。

“如果最终确认为‘上帝粒子’,那么这将是人类探索自然过程中的一大步,使我们能站在一个新的高度,思考我们身处的这个宇宙。”刘衍文说,基础科学的每一个重要进步,都有可能大大推动应用科研的发展。“从科学意义上讲,发现‘上帝粒子’比人类登上月球更重要。”

在欧洲核子中心的ATLAS和CMS两大研究组,共有来自世界各国的7000多名科学家参与工作。“因此,很难说这种新粒子是由哪个国家或者哪个人发现的。”刘衍文认为,这个成果应该属于全人类。

据了解,在欧洲核子中心参与研究的中国科学家来自五个科研单位,分别是中国科学技术大学、中科院高能物理研究所、北京大学、南京大学与山东大学。中国科研人员约占中心总人数的百分之一,其中来自中科大的团队人数最多,达到20人。

为寻找“上帝粒子”,中国科学家在仪器研制、设备调试、数据分析等方面作出了重要贡献,在欧洲核子中心赢得了良好的国家声誉。“欧洲核子中心给所有的外来学者提供工作环境,但不发工资。”刘衍文说,中国学者们的经费都来自于科技部、中科院与国家自然科学基金委员会。“我们能代表中国参与这一全球重大科研活动,背后是国家力量的长期支持。”

据新华社电

●南方日报记者李秀婷统筹:郎国华

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[责任编辑:杜苗] 标签:上帝粒子 粒子碰撞 希格斯玻色子
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